张素香, 杨雪峰, 孙 铁

(辽宁石油化工大学,辽宁抚顺 113001)

板式空冷器导流板式液体分布器结构与流动规律研究

张素香, 杨雪峰, 孙 铁

(辽宁石油化工大学,辽宁抚顺 113001)

对导流板式液体分布装置的结构提出设计方法并进行了数学描述,推导得出了结构压降公式。采用CFX对该结构进行流场模拟,流场显示入口流体的分布。提出的结构设计方法和压降公式对于板式空冷器液体分布器的设计具有一定的理论指导意义。

板式空冷器; 分布器; 导流板; 效率; 压降

板式空冷器作为一种新型的空冷装置,其特点主要是结合了板式换热器与空冷式换热器的优点,节水效果好,传热效率高,流通面积大。为了使介质均匀地进入换热板,从而得到较高的换热效率,在进口管箱内设置液体分布器。本文对导流板式液体分布装置的结构设计方法进行了分析,主要解决3个问题,(1)保证流体经过导流板后均匀分布时,各导流板上端与接管轴线的距离、倾角的确定方法或计算公式;(2)在保证分布均匀的情况下,通过导流板的阻力降计算公式,Δpf=f(a,b,α,α0,μ,ρ);(3)通过软件给出流场的分布情况。

导流板式液体分布器结构如图1所示,导流板为倾斜焊接在管箱上的四块矩形板,上端与接管平齐,下端距板束为h,四块矩形板分别与接管轴线成一定的倾角,且对称分布。矩形板宽度d,垂直高度H。导流板与接管轴线的距离、导流板倾角、导流板尺寸、导流板下端与板束的距离可调[1]。a,α—靠近接管轴线的一组导流板上端与接管轴线的距离及其与接管轴线夹角;b,α0—与接管轴线距离较远一组导流板上端与接管轴线的距离及其与接管轴线夹角;μ—介质粘度;ρ—介质密度。

1 结构分析

导流板上端距接管轴线的距离可调,即流经每块导流板的流体流量是可调的。由于结构的对称性,只考虑半个入口截面,根据流体应均匀分布的要求,每个导流板所对应的下游出口面积应该与流过它的流量成正比,则流体被两块导流板分割的三部分的流量,从中间到两侧应分别为

式中,Q0-入口总流量,r=D/2-入口接管半径。

因为流体脱离导流板时作抛物运动,由能量守恒方程,脱离导流板时流体的动能等于入口流体动能、流体沿导流板下流过程中势能的减小量,以及流体流经导流板的阻力(负值)之和,可以求出脱离导流板时液体的速度。

式中,H-导流板竖直方向高度,V1-导流板入口处流体流速,V2-流体脱离导流板时的流速,F-流体流过导流板的阻力(包括形体阻力和粘性阻力)

F的求解方法见本文第2部分(压力降的计算方法)。求出每块板的出口速度V2,由抛物运动有,

式中,h-导流板下端距换热板束上端的距离,θ-导流板与竖直方向的夹角。

求出落体运动时间t,即可得到流体水平运动的距离

式中,L1,L2,L3分别表示中心到边缘被两块导流板流体落点分开的距离,如图1所示;V21、V22分别为流体脱离靠近和远离接管轴线的导流板下端的速度;t1、t2分别为流体脱离导流板后,到达换热板上端前的下降时间。

根据流体均匀分布的设计原则,导流板的位置、尺寸及倾角应符合下式

2 压力降的计算方法

在一般情况下,入口管及分布板上的流动为湍流。当速度为v∞的粘性均匀流沿光滑平板流过时,其边界层有如下方程

式中,vx,v∞分别为边界层速度及来流速度,见图2。

Fig.2 The boundary layer on guide plate图2 导流板边界层

切应力τ应为

用动量积分来求湍流边界层的时均速度分布。平板情况下的边界层动量积分为

在这里已把时均参数上方的一横省去。因为边界层为湍流的,在假设vx(y)的分布时可根据全经验的幂函数规律形式给出。即

式中,η=y/δ为无量纲纵坐标。δ为边界层厚度,它为x的未知函数,是要求解的。n为由试验确定的无量纲常数。给定这样的速度分布后

另外,边界层内的速度vx(y)必然与流体密度ρ、粘性v、以及平板表面处的切应力τw有关。从(1)式还知道它与yn有关。写成函数形式即为

使用量纲分析法求解f的具体形式

式中,系数β由实验给出。两端量纲一致,即

根据边界条件x=0时δ=0可得C=0,得

将δ(x)代入(1)得任一位置处的边界层速度分布vx(y)。平板单面长度为l的一段表面上的摩擦阻力为F(单位板宽)

式中,常数n与β0由实验测定。在Re<3×106时,

以某板式空冷器为例,管箱长1 410 mm,宽660 mm,高610 mm,a=55 mm,b=120 mm,α= 32°,α0=50°,H=300 mm,h=100 mm,流体分布较均匀。当以95℃、流量30 t/h的水为介质时,Δpf=216 Pa;以180℃、流量2 t/h的饱和蒸汽为介质时,Δpf=97 Pa。从计算结果来看,与筛板式液体分布器和分布管式液体分布器相比,压力降较小[3-5],但其结构简单,容易加工。

3 CFX流场模拟及分析

采用其对该结构进行流场模拟,采用有限体积法、拼片式块结构化网格分析其均布程度,从模拟结果来看,导流板式液体分布器基本上能够完成入口流体的分布[6-10],但是由于其结构上的原因,导致导流板下沿所对位置流量较大,其余部分略小。优点是结构简单,且过流阻力很低,适用于要求压降较小、且均布要求不很高的场合。

Fig.3 Axial and vertical velocity distribution图3 沿横向及纵向切开平面的速度分布

[1] 张素香,袁忠泽,孙铁.板式空冷器入口管箱液体分布器结构分析[J].辽宁石油化工大学学报,2006,26(2):56-58.

[2] 罗惕乾.流体力学[M].2版.北京:机械工业出版社,2003.

[3] 周永生,张全强,周海鹰.填料塔内液体分布器均布性能的CFD模拟[J].天津化工,2003,17(2):15-17.

[4] 张素香,孙铁,袁忠泽.板式空冷器筛板式液体分布器结构与流动规律研究[J].石油化工设备技术,2006,27(2):19-22.

[5] 韦丽娃,孙铁.板式空冷器分布管式液体分布器结构与流动规律研究[J].石油化工高等学校学报,2007,20(1):67-69. [6] 刘凯.板式空冷器进口管箱分布的研制[D].抚顺:辽宁石油化工大学,2004.

[7] 董谊仁,裘俊红,陈国标.填料塔液体分布器的设计(一):排管式液体分布器的设计[J].化工生产与技术,1998(2):1-6.

[8] 董谊仁.填料塔液体分布器的设计[J].化工生产与技术,1998(1):1-10.

[9] 周永生,张全强,周海鹰.填料塔内液体分布器均布性能的CFD模拟[J].天津化工,2003,17(2):15-17.

[10] 赵海峰.ANSYS 8.0工程结构实例分析[M].北京:中国铁道出版社,2004.

(Ed.:W YX,Z)

Structure and Flow of Guide Plate Distributor of Plate Air-Cooled Cooler

ZHANG Su-xiang,YANG Xue-feng,SUN Tie
(L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning 113001,P.R.China)

3 A pril 2010;revised 19 M ay 2010;accepted 1 July 2010

The structure design method of the guide p late distributor was put forward and the design method was mathematically described,then deduced the formula of p ressure reduction,flow pattern in the distributo r was simulated by CFX.The inlet fluid field show a unifo rm distribution.These have some impo rtance to fundamental thought of distributer op timum design and fo rmular reduction of p ressure on the distributo r design.

Air-cooled cooler;Distributor;Guide plate;Efficiency;Pressure reduction

.Tel.:+86-413-6865032;fax:+86-413-6863389;e-mail:zsx7878@sina.com

TF066.2

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.03.019

1006-396X(2010)03-0083-03

2010-04-03

张素香(1964-),女,山东嘉祥县,高级实验师。

辽宁省自然科学基金资助(20092182)。